[发明专利]纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法

说明书

本发明涉及一种纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法，属于激光表面改性领域。该方法为：先对钛合金表面进行预处理，将预处理后的钛合金样品放置于气体腔中，通过进气口输送氮气，使氮气充满气体腔，氮气流量为1‑20L/min；经过10‑15s的预送气后，打开纳秒光纤激光器，将聚焦后的激光束经过二氧化硅玻璃垂直照射于钛合金样品表面；通过控制激光参数，在钛合金表面制备周期性微结构，同时起到激光氮化的作用。本发明不仅可以改善钛合金表面的湿润性能，并且可以实现表面颜色的调控，此外由于激光氮化的作用，激光辐照后钛合金表面的硬度和耐磨性得到提高。本发明提供的表面微结构制备方法简单，重复性好，且制备的结构具有优异的耐久性。

技术领域

本发明涉及金属表面改性技术领域，特别涉及一种纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法。

背景技术

钛合金具有出色的机械、物理和化学特性，例如高的比强度、低密度、良好的高温保持性以及优异的耐腐蚀性和生物相容性等特点，被广泛应用于国防、航空航天、生物医学和其它领域等。但是其本身固有的一些缺点，如高摩擦系数、低硬度和耐磨性等，在一定程度上限制了工业应用范围。

材料表面微结构的制备可以改善表面湿润性、光学特性、生物兼容性以及摩擦磨损性能等，显然在钛合金表面制备微结构将会为其提供更大的发展空间和应用潜力。但是目前大部分表面微结构的耐久性极差，使用寿命很短，而且对于某些特殊方式制备的表面微结构，其容易受到光学、温度等环境因素的影响，导致其容易遭受破坏(李晓,盛丽萍,王宇轩.多功能和耐久性超疏水表面的研究进展.湖南师范大学自然科学学报,2020)。

因此，如何制备多功能且高耐久性的表面微结构具有重要意义。

氮化钛具有高硬度，良好的化学稳定性以及优异的耐磨耐腐蚀性能，是一种常见的涂层材料，被用于作刀具涂层，来提高刀具的硬度以及耐磨性。针对钛合金较差的耐磨性等，可以尝试以氮化的方式在其表面制备一层氮化钛(秦晓阳,黄婷,肖荣诗.Ti表面微结构的制备及应用研究进展.电加工与模具，2019,(4):1-9)。

激光加工作为一种高精度、灵活、无污染的方式，适用于大多数材料，并且在微纳米结构的制备方面崭露头角。激光器种类繁多，而纳秒激光器作为一种成本较低，又可以同时兼顾加工效率和加工质量，目前成功被工业化应用的激光器。对于纳秒激光与材料相互作用，热效应是不可避免的，这就导致了不可控的熔体局部流动以及蒸发现象，很难在材料表面制备比较规则的周期性结构。因此，对于开发一种简单高效且具有耐久性表面周期性微结构的方法是十分有必要的。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提出了一种纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法，其不仅可以改善钛合金表面的湿润性能，同样能起到颜色调控的作用，此外由于激光氮化的作用，此表面展现出较高的表面硬度以及较好的摩擦磨损性能，此制备方法简单，具有较好的重复性且制备的结构具有优异的耐久性。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种纳秒激光辐照制备钛合金表面周期性微结构的方法：先对钛合金表面进行预处理，将预处理后的钛合金样品放置于气体腔中，通过进气口输送氮气，使氮气充满气体腔，氮气流量为1-20L/min；经过10-15s的预送气后，打开纳秒光纤激光器，将聚焦后激光束经过二氧化硅玻璃垂直照射在钛合金样品表面，通过控制激光参数，在钛合金表面制备周期性表面微结构，并同时起到激光氮化的作用。

所述的钛合金的预处理方式为：将线切割后的钛合金样品进行机械研磨、抛光处理，放入无水乙醇中进行超声清洗，干燥。

所述的机械研磨使用200#，400#，800#，1200#，1500#，2000#的砂纸依次进行，然后使用W5，W3，W1的金刚石研磨膏进行机械抛光，超声清洗的清洗温度为50-60℃，清洗时间为5-10min，在空气中自然干燥。

所述的制备周期性表面微结构的激光器为纳秒光纤激光器。